溫度傳感器溫度控制設計

1系統(tǒng)總體設計1.1系統(tǒng)總體設計方案設計框圖如下所示：圖1-1系統(tǒng)框圖1.2單元電路方案的論證與選擇硬件電路的設計是整個實驗的關鍵部分，我們在設計中主要考慮了這幾個方面：電路簡單易懂，較好的體現(xiàn)物理思想；可行性好，操作方便。在設計過程中有的電路有多種備選方案，我們綜合各種因素做出了如下選擇。1.2.1溫度信號采集電路的論證與選擇采用溫度傳感器DS18B20美國DALLAS公司的產品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20可實現(xiàn)室內溫度信號的采集，有很多優(yōu)點：如直接輸出數(shù)字信號，故省去了后繼的信號放大及模數(shù)轉換部分，外圍電路簡單，成本低;單總線接口，只有一根信號線作為單總線與CPU連接，且每一只都有自己唯一的64位系列號存儲在其內部的ROM存儲器中，故在一根信號線上可以掛接多個DS18820,便于多點測量且易于擴展。DS18B20的測溫范圍較大，集成度較高，但需要串口來模擬其時序才能使用，故選用此方案。DS18B20單線智能溫度傳感器的工作原理DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最近推出的一種改進型智能溫度傳感器,與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20單線智能溫度傳感器的性能特點采用單總線專用技術，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無須經過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進制數(shù)，含符號位）；測溫范圍為-55°C—+125°C，測量分辨率為0.0625^；內含64位經過激光修正的只讀存儲器ROM；適配各種單片機或系統(tǒng)機；

用戶可分別設定各路溫度的上、下限;內含寄生電源；1.2.4DS18B20的內部結構框圖如圖1-2所示：I/OCVde圖1-2DS18B20I/OCVde圖1-2DS18B20內部結構它采用3腳它采用3腳PR—35封裝或8腳SOIC封裝其管腳封裝如圖1-3所示。BOTTOMVIEWZJNCZJNCZJNC圖1-3DS18B20BOTTOMVIEWZJNCZJNCZJNC圖1-3DS18B20的引腳排列1.2.5輸入輸出通道及其接口設計1）溫度檢測模擬輸入通道設計如圖1-4所示：

V/K比槐熟件+3Sgal*V/K比槐熟件+3S而1裁匚_?tLK洲(S253)CPU圖1-4輸入通道原理圖

設V/F變換器的額定輸出頻率為F,計數(shù)器對輸出脈沖的計數(shù)時間為Ts,A/D轉CPU換結果的分辨率為i,則有：2'

T一

sF

s取Ts=1s,則在V/F的輸出頻率范圍0?10kHz內，可以得到13位的A/D轉換結果。品閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設計品閘管的工作方式有：調壓方式如圖1-5所示：圖1-5調壓方式原理圖調壓方式：是通過利用移相觸發(fā)脈沖調節(jié)品閘管的導通角，使輸入到電加熱元件的電壓改變，達到調節(jié)用電器的輸入功率，來實現(xiàn)控制目的。(2)調功方式調功方式：觸發(fā)電路采用的是過零觸發(fā)方式，外加正弦電壓過零時控制信號才使晶閘管的觸發(fā)導通，則負載上得到的電壓是一個正弦波，如圖1-6所示

圖1-6波形圖調功方式輸入電爐的平均功率為：nU2P NRP——輸入電爐的功率；R——負載有效電阻；U——電網(wǎng)電壓；n——允許導通的波頭數(shù)；N——設定的波頭數(shù)。當n=0時，電爐的輸入功率為零；n=N時，電爐的輸入功率為滿功率。由以上分析可得品閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設計，如圖1-7和圖1-8所示：同步脈沖h圖1-8波形圖3） 撥碼盤給定輸入通道撥碼盤作為數(shù)字量的輸入設備，設定和修改碼盤值可作為控制系統(tǒng)的給定值。輸入非數(shù)字信息時，需要事先將非數(shù)字信息轉換為數(shù)字代碼，再由撥碼盤輸入。4） 數(shù)碼顯示輸出通道包括：數(shù)字量輸出接口電路；鎖存譯碼驅動電路；七

段數(shù)碼管顯示器。5）打印機輸出通道包括：系統(tǒng)配置了通用打印機接口電路；打印內容包括表頭、制表、采樣數(shù)據(jù)和采樣時間。1.2.6模數(shù)轉換的選擇模數(shù)轉換亦稱模擬一數(shù)字轉換，與數(shù)/模（D/A）轉換相反，是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉換成離散的數(shù)字量。例如，對圖象掃描后，形成象元列陣，把每個象元的亮度（灰階）轉換成相應的數(shù)字表示，即經模/數(shù)轉換后，構成數(shù)字圖象。通常有電子式的模/數(shù)轉換和機電式模/數(shù)轉換二種。在遙感中常用于圖象的傳輸，存貯以及將圖象形式轉換成數(shù)字形式的處理。例如：圖像的數(shù)字化等。 信號數(shù)字化是對原始信號進行數(shù)字近似，它需要用一個時鐘和一個模數(shù)轉換器來實現(xiàn)。所謂數(shù)字近似是指以N-bit的數(shù)字信號代碼來量化表示原始信號，這種量化以bit位單位，可以精細到1/2F。時鐘決定信號波形的采樣速度和模數(shù)轉換器的變換速率。轉換精度可以做到24bit，而采樣頻率也有可能高達1GHZ，但兩者不可能同時做到。通常數(shù)字位數(shù)越多，裝置的速度就越慢。1.2.7模數(shù)轉換的過程論證模數(shù)轉換包括采樣、保持、量化和編碼四個過程。在某些特定的時刻對這種模擬信號進行測量叫做采樣，量化噪聲及接收機噪聲等因素的影響，采樣速率一般取fS=2.5fmax。通常采樣脈沖的寬度tw是很短的，故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。要把一個采樣輸出信號數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時模擬信號保持一段時間，這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉換成離散時間、離散幅度的數(shù)字信號，量化的主要問題就是量化誤差。假設噪聲信號在量化電平中是均勻分布的，則量化噪聲均方值與量化間隔和模數(shù)轉換器的輸入阻抗值有關。編碼是將量化后的信號編碼成二進制代碼輸出。這些過程有些是合并進行的，例如，采樣和保持就利用一個電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在轉換過程中同時實現(xiàn)的，且所用時間又是保持時間的一部分。1.2.8A/D的轉換的原理頃sj?lA數(shù)字量輸出（n位頃sj?lA數(shù)字量輸出（n位）輸入模擬電壓ADC:采程-保持電路采樣展寬信號圖1-9原理圖1.2.9A/D的轉換作用由于溫度傳感器采集到的是模擬電壓信號，而計算機只識別數(shù)字信號，因此必須經過A/D轉換，將采集到的模擬信號轉換為數(shù)字信號才能被計算機識別，其轉換的溫度才能通過LED數(shù)碼管顯示。1.351單片機的簡介MCS-51系列單片機是Intel公司在總結MCS-48系列單片機的基礎上于20世紀80年代初推出的高檔8位單片機。MCS-51系列的制成及發(fā)展與HMOS工藝的發(fā)展密切相關，HMOS是高性能的NMOS工藝。1.3.1MCS-51系列單片機內部結構MCS-51系列單片機內部采用模塊式結構，其結構組成框圖如圖1-10所示：程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器圖1-10MCS-51系列單片機組成框圖由圖1-10可見，MCS-51系列單片機主要由以下部件通過片內總線連接而成：中央處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）、并行輸入/輸出口（P0口乍3口）、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷控制、總線控制及時鐘電路。1.3.2引腳定義引腳是單片機和外界進行通信的通道連接點，用戶只能通過引腳組建控制系統(tǒng)。從應用的角度來看，引腳的應用是單片機應用的一個重要基礎。由于工藝及標準化等原因，芯片的引腳數(shù)量是有限的，但單片機為實現(xiàn)控制所需要的信號數(shù)目卻遠遠超過其引腳數(shù)目。為解決這一矛盾，單片機的某些信號引腳被賦以雙重功能。如圖1-11所示：

P1.0Pl.lPl2Pl3PL4Pl,5Pl6Pl7RST/VpDRXD/P3.0TXO/P3.P1.0Pl.lPl2Pl3PL4Pl,5Pl6Pl7RST/VpDRXD/P3.0TXO/P3.1INTO/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1GNE)012345678901CM47/89-1111111110987654321098765432143333333333222222222nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnVCcPO.O/ADOP0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6PO.7/AD7EA/VppALE/PROGPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A1OP2.1/A9P2.0/A8VvCCP1P0P3P2RSTALEXTAL1PSEXTAL2— EASS圖1-1140引腳PDIP封裝的80C51單片機的引腳排列及邏輯符號圖1、 電源及電源復位引腳：（1） VCC（40腳）：正常操作時接+5V直流電源。（2） Vss（20腳）：接地端。（3） RST/VpD（9腳）：復位信號輸入端。在該引腳上輸入一定時間（約兩個機器周期）的高電平將使單片機復位。該引腳的第二功能是vpd，即備用電源輸入端。當主電源發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，可將+5V備用電源自動接入VpD端，以保護片內RAM中的信息不丟失，使復電后能繼續(xù)正常運行。PD（4）EA/VPP（31腳）：訪問程序存儲器控制信號/編程電源輸入。當EA保持高電平時，訪問內部程序存儲器，訪問地址范圍在0?4KB內；當PC（程序計數(shù)器）值超過0FFFH，即訪問地址超出4KB時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序；當EA保持低電平時，不管單片機內部是否有程序存儲器，則只訪問外部程序存儲器（從0000H地址開始）。由此可見，對片內有可用程序存儲器的單片機而言，或端應接高電平，而對片內無程序存儲器的單片機，可將或接地。對于EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳用于施加21V的編程電源（VPP）。2、 時鐘振蕩電路引腳XTAL1和XTAL2：（1） XTAL1（19腳）：外接石英晶體和微調電容引腳1。它是片內振蕩電路反向放大器的輸入端。采用外部振蕩器時此引腳接地。（2） XTAL2（18腳）：外接石英晶體和微調電容引腳2。它是片內振蕩電路反向放大器的輸出端。采用外部振蕩器時此引腳為外部振蕩信號輸入端。3、 ale/E（30腳）：低8位地址鎖存控制信號/編程脈沖輸入。在系統(tǒng)擴展時，ALE用于把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低8位地址和數(shù)據(jù)的隔離。在訪問外部程序存儲器期間，ALE信號兩次有效；而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間，ALE信號一次有效。對于EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖布。4、 有（29腳）：外部程序存儲器的讀選通信號輸出端，低電平有效。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，此引腳定時輸出負脈沖作為讀取外部程序存儲器的信號，每個機器周期PSEN兩次有效，此時地址總線上送出的地址為外部程序存儲器地址；在此期間，如果訪問外部數(shù)據(jù)存儲器和內部程序存儲器，不會產生PSEN信號。5、 并行雙向輸入/輸出（I/O）口引腳：（1） P0口的P0.0~P0.7引腳（39~32腳）：8位通用輸入/輸出端口和片外8位數(shù)據(jù)/低8位地址復用總線端口。（2） P1口的P1.0~P1.7引腳（1~8腳）：8位通用輸入/輸出端口。（3） P2口的P2.0~P2.7引腳（28~21腳）：8位通用輸入/輸出端口和片外高8位地址總線端口。（4） P3口的P3.0~P3.7引腳（10~17腳）：8位通用輸入/輸出端口，具有第二功能。1.3.3主要功能和特性（1） 可以仿真63K程序空間，接近64K的16位地址空間；（2） 可以仿真64Kxdata空間，全部64K的16位地址空間；（3） 可以真實仿真全部32條IO腳；（4） 完全兼容keilC51UV2調試環(huán)境，可以通過UV2環(huán)境進行單步，斷點，全速等操作；（5） 可以使用C51語言或者ASM匯編語言進行調試；（6） 可以非常方便地進行所有變量觀察，包括鼠標取值觀察，即鼠標放在某變量上就會立即顯示出它此的值；（7） 可選使用用戶晶振，支持0—40MHZ晶振頻率；（8） 片上帶有768字節(jié)的xdata,您可以在仿真時選使用他們，進行xdata的仿真；（9） 可以仿真雙DPTR指針；（10） 可以仿真去除ALE信號輸出；（11） 自適應300-38400bps的所有波特率通訊；（12） 體積非常細小,非常方便插入到用戶板中.插入時緊貼用戶板，沒有連接電纜，這樣可以有效地減少運行中的干擾,避免仿真時出現(xiàn)莫名其妙的故障；（13）仿真插針采用優(yōu)質鍍金插針，可以有效地防止日久生銹，選擇優(yōu)質園腳IC插座，保護仿真插針，同時不會損壞目標板上的插座；（14） 仿真時監(jiān)控和用戶代碼分離,不可能產生不能仿真的軟故障；（15） RS-232接口不計成本采用MAX202集成電路，串行通訊穩(wěn)定可靠，絕非一般三極管的簡易電路可比。2系統(tǒng)框圖2.1系統(tǒng)原理圖給定值—(gig)出〔溫度門原料油 圖2-1系統(tǒng)原理圖2.2系統(tǒng)框圖由系統(tǒng)原理圖可畫出系統(tǒng)的結構框圖為2-2系統(tǒng)框架圖閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)：優(yōu)點一一不管任何擾動引起被控變量偏離設定值，都會產生控制作用去克服被控變量與設定值的偏差。因此閉環(huán)控制系統(tǒng)有較高的控制精度和較好的適應能力，其應用范圍非常廣泛。缺點---閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產生，當系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質量大大降低。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，根據(jù)設定值的不同形式，又可分為定值控制系統(tǒng)，隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。

3溫度系統(tǒng)控制器的設計由以上分析可知，鍋爐的溫度控制系統(tǒng)可以近似為二階系統(tǒng)，可表示為，設采樣周期T=0.5s。s(s+1)3.1計算廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)1-e一Tss(s+1)(1z-1)+1)(1z-1)+1)(1zT)(1z-1)(1-z-1)2zT(1-e-Tz一1)-(1-z一頃1-e-Tz-1)+(1-z-1)2(1-z-1)(1-e一Tz-1)z-1[(e-T+t-1)+(1-e-T-te-T)z-1]把T=0.5s、(1-z一頃1-e-Tz一1把T=0.5s、z-1(1+0.832)z-1e-Tz-1(1+0.832)z-10.107G(z)= (1-z-1)(1-0.607z-1)3.2①(z)的計算zz一N-1(1-e-T/T)由于①(z)=(1-e-Tz一1)此處N=0、T=0.5s，t是整個系統(tǒng)(包括數(shù)字控制器和被控對象)的時間常數(shù)，代入上式得zT(1-e-T/T)(1-e-T膏z一1)由于G決z由于G決z)=1-①(z)所以G(z)=1-①(z)=e(1-e-T/Tz一1)3.3數(shù)字控制器的設計由數(shù)字控制器的公式把式（3）中的Q（乙）和把式（3）中的Q（乙）和ge0.934(1-e-T/T)(1-0.607z-1)D(z)= 1+0.832z-13.4消除振鈴現(xiàn)象由于直接用大林算法構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)時，數(shù)字控制器的輸出U（z）會以1/2的采樣頻率大幅度上下擺動，我們把這種現(xiàn)象叫做振鈴現(xiàn)象。振鈴現(xiàn)象與被空對象的特性、閉環(huán)時間常數(shù)、采樣周期、純滯后時間的大小等有關，振鈴現(xiàn)象中的震蕩是衰減的，并且由于被控對象中慣性環(huán)節(jié)的低通特性，使得這種震蕩對系統(tǒng)輸出幾乎無任何影響，但是振鈴現(xiàn)象卻會增加執(zhí)行機構的磨損。所以要想盡辦法消除振鈴現(xiàn)象。由于令z=-1附近的極點會引起振鈴現(xiàn)象，為消除振鈴令現(xiàn)象，令z=-1附近的極點的z=1，代入上式得D(z)=0.510(1—e-t/TX1—0.607z-1)4硬件設計本控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，它由以下幾個模塊構成：信號轉換及調理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、脈寬調制控制及驅動電路和執(zhí)行機構。1 : 2 : 3圖4-1系統(tǒng)硬件電路4.1信號轉換及調理電路信號轉換調理就是將溫度信號轉化為電信號，然后調理為可采集的電壓信號。具體電路如圖4-2所示：+土利 4-LSV圖4-2信號轉換及調理電路4.2數(shù)據(jù)采集模塊通過A/D轉換器將輸入的模擬電壓量轉換為數(shù)字量，并通過并行接口芯片將

A/D轉換器米用高精度的A/D轉換器米用高精度的MC14433，圖4-3為MC14433的典型電路圖。Eaann?I?n?iFkMM皿-MEaann?I?n?iFkMM皿-MPMsisnu辮需界3落M畿KtME圖4-3MC14433典型電路圖MC14433是三位半十進制（即11位二進制數(shù)）的雙積分式模數(shù)轉換器,轉換速率為4-10Hz，它無控制啟停信號，一旦上電，就不斷地轉換。轉換結果采用BCD碼動態(tài)掃描輸出，它的千位、百位、十位、個位的BCD碼輸出為分別與DS1、DS2、DS3、DS4輸出高電平是相對應，由于它們無三態(tài)特性，不可與PC機直接相連，因此要通過并行接口芯片相連接。又因為MC14433無內部參考電壓源，因此利用低溫漂的集成化的精密電源MC1403來產生穩(wěn)定的參考電壓。4.3數(shù)據(jù)顯示模塊PC機將采集到的溫度值經處理后送往LED數(shù)碼管上顯示，并在屏幕上打印出控制曲線。這部分可利用PC微機總線接口實驗裝置上的現(xiàn)有資源，在實驗裝置信號轉換及調理電路上本模塊提供了六個LED數(shù)碼管，CPU通過兩個端口來驅動LED數(shù)碼管，分別為段輸出選通端和位選通端。數(shù)據(jù)的輸出顯示采用動態(tài)掃描方式，利用眼睛的視覺慣性來實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字顯示。4.4脈寬調制控制及驅動電路脈寬調制控制及驅動部分的原理圖（圖中包括執(zhí)行機構部分）如下圖4-4所示：

7TIJITEl士sCftPkhmeB^氐UA礎EnKgassTJlMS7TIJITEl士sCftPkhmeB^氐UA礎EnKgassTJlMS圖4-4脈寬調制控制及驅動電路本電路用于完成反饋控制的功能，利用PC機輸出的經PID控制算法處理后的誤差信號去控制產生具有一定占空比的脈沖，并送往驅動電路進行脈沖放大。改變占空比的調節(jié)方法有脈寬調制(PWM)和脈頻調制(PFM)。由原理圖可知本系統(tǒng)采用PWM方式，即工作頻率不變，通過改變后級電路的導通與截止比來改變占空比。圖上所示各點的波形具體體現(xiàn)了本電路的工作過程。4.5執(zhí)行機構這部分電路比較簡單，由雙向可控硅(品閘管)及電路組成，見圖所示。品閘管一旦觸發(fā)，管子就導通，把控制信號減少甚至完全去掉，它仍然導通，只有當陽極電流減少到維持電流以下，管子才會截止。不過雙向可控硅則無所謂陰、陽極。本電路可控硅采用BT138600E，見圖4-5所示，其中T1：主端子T2：主端子G：門極圖4-5BT138600E電路5軟件設計5.1系統(tǒng)控制程序的任務（1）系統(tǒng)初始化。（2） 多路模擬轉換開關的切換控制。（3） 溫度反饋信號采樣和數(shù)字濾波、線性化處理。（4） 讀給定輸入值，且將BCD碼轉換為二進制碼。（5） 完成系統(tǒng)的控制算法和控制輸出。（6） 定點或巡回顯示溫度值和網(wǎng)帶速度值。（7） 定時打印時間、溫度和網(wǎng)帶運行速度。（8） 按控制功能將程序分成三個程序模塊：5.2系統(tǒng)初始化程序模塊系統(tǒng)初始化包括：（1） 設置堆棧；（2） 清除動態(tài)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；（3） 初始化打印緩沖區(qū)；（4） 設置計數(shù)器的控制字和計數(shù)初始值；（5） 設置時鐘系統(tǒng)的初始值；（6） 設置控制算法程序的初始值；（7） 系統(tǒng)中斷控制初始化等。如圖5-1為初始化模塊流程圖設置控制算法程序中斷服務程序的任務:(中斷服務程序的任務:(1)(2)(3)5.45.3外部中斷服務程序模塊讀取A/D轉換結果，以BCD碼的形式送到數(shù)碼管中顯示。讀取溫度給定值并將BCD碼轉換為二進制碼。外部中斷產生ls鐘內，將多路模擬轉換開關切換到下一個通道。定時打印程序模塊實現(xiàn)任務：實時時鐘程序；根據(jù)設定時間完成打印控制。如圖5-2為定時打印程序模塊流程圖圖5-2定時打印程序模塊流程圖6系統(tǒng)仿真分別進行給定值變化和干擾變化仿真，并與PID控制的變化加以比較，整理得出如圖6-1所示的波形圖：圖6-1燃燒系統(tǒng)的內模控制與PID控制的階躍響應曲線由圖6-1可以看出，內?？刂票绕胀≒ID控制更能獲得良好的動態(tài)效應，穩(wěn)定速度快，超調量減小，抗干擾能力強。系統(tǒng)投入運行之后，滿足了系統(tǒng)的控制要求。該系統(tǒng)操作簡便，使用維護方便，性能可靠；采用微機控制，提高了產品質量；改善了勞動條件，消除了人為因素；易于現(xiàn)代化管理和產品質量分析。總結通過這次單片機控制技術課程設計使我對所學的單片機控制技術理論知識有了深層次的理解和掌握，增強了自己對所學單片機控制技術理論知識的靈活運用，增強了自己的獨立思考和創(chuàng)新綜合素質能力，尤其是運用理論知識解決實際問題的能力。通過本次課程設計把自己所學的單片機控制技術分散理論知識聯(lián)系起